Lezione n.4Lezione n.4La materia oscura

Corso di Introduzione all’astrofisica (III parte)Anno accademico 2010-2011

Barbara Caccianiga

Cos’e’ la materia oscura?

• Per definizione, materia oscura e’ tutto cio’ che i nteragisce debolmente con la radiazione elettromagnetica;

• Ovvero, la materia oscura non emette e non assorbe luce;• Ovvero, la materia oscura non emette e non assorbe luce;

• Evidenze della presenza di materia oscura nell’univ erso sono:

– La velocita’ di rotazione di oggetti alla periferia delle galassie a spirale in funzione della distanza dal centro;in funzione della distanza dal centro;

– Moto delle galassie nei grandi ammassi ;

– Presenza di getti di gas bollente nei cluster di galassie;

– Fit ai parametri cosmologici;– Fit ai parametri cosmologici;

• E se invece si dovesse modificare la teoria della g ravita’?

– MOdified Newtonian Dynamics (MOND) (proposta da Milgrom): su distanze astrofisiche la gravita’ potrebbe comportarsi in modo non Newtoniano; non ci sarebbe quindi bisogno di introdurre materia Newtoniano; non ci sarebbe quindi bisogno di introdurre materia oscura;

Prima evidenza “gravitazionale” di materia oscura: moto delle stelle nelle galassiemoto delle stelle nelle galassie

2

Dalle leggi di Keplero

rGM

vr

GmMr

mv2

2

====⇒⇒⇒⇒====

Invece tutto va come seInvece tutto va come se

r~)r(M

Seconda evidenza “gravitazionale” di materia oscura: moto delle galassie nei clusteroscura: moto delle galassie nei cluster

• Negli anni ’30, Zwicky scopre un’anomalia nella vel ocita’ delle galassie all’interno dell’ammasso della Chioma di B erenice:

• Le galassie si muovono infatti piu’ velocemente di quanto atteso per un sistema gravitazionalmente legato con una massa atteso per un sistema gravitazionalmente legato con una massa totale pari a quella “visibile”;

• Gia’ allora, l’interpretazione dei dati porto’ ad a ssumere la presenza di massa invisibile nei cluster;presenza di massa invisibile nei cluster;

• Queste considerazioni vennero prese sul serio solo molti anni dopo, quando la quantita’ e la precisione delle oss ervazioni rese evidente l’esistenza di un “problema di massa mancante”;rese evidente l’esistenza di un “problema di massa mancante”;

Terza evidenza “gravitazionale” di materia oscura: presenza di nubi di gas nelle galassie e nei cluste rpresenza di nubi di gas nelle galassie e nei cluste r

• Immagine a raggi X presa dal • Immagine a raggi X presa dal satellite ROSAT sovrapposta ad una fotografia di un gruppo di galassie. L'immagine mostra, in falso colore rosa, una gigantesca nube di gas ”caldo” che emette una debole quantità di raggi X. La presenza di questo gas fa presenza di questo gas fa supporre una forte attrazione gravitazionale in grado di mantenerlo confinato; la sola mantenerlo confinato; la sola massa delle galassie visibili non sarebbe sufficiente. Deve quindi essere materia oscura diffusa fra essere materia oscura diffusa fra le galassie di un ammasso.

Quarta evidenza di materia oscura: lenti gravitazionalilenti gravitazionali

Abell 2218, un cluster di galassie lontano circa 3 miliardi di anni luce, Abell 2218, un cluster di galassie lontano circa 3 miliardi di anni luce, piega la luce dalle galassie retrostanti creando lu nghi e deboli archi.

La distorsione osservata puo’ essere usata per misu rare la massa del cluster “deflettore” e confrontarlo con la sua mass a luminosa ààààulteriore evidenza di materia oscura;

Evidenza cosmologica di materia oscura:

• La dinamica dell’universo e’ descritta dall’equazio ne della relativita’ • La dinamica dell’universo e’ descritta dall’equazio ne della relativita’ generale di Einstein con la metrica di Friedmann-Ro bertson-Walker;

• Se definiamo la densita’ critica

33020

c cm/g10x8G8

H3 −−−−====ππππ

====ρρρρ e il parametro di densita’ cρρρρ

ρρρρ====ΩΩΩΩ

H0=cost. di Hubble

G8ππππ cρρρρ

• Dall’equazione di Friedmann segue che:

ρρρρc corrisponde a ~ 4 protoni/m 3!

• Dall’equazione di Friedmann segue che:Ω >1 à k > 0 universo con curvatura positiva;Ω =1 à k = 0 universo piatto;Ω <1 à k < 0 universo con curvatura negativa;Ω <1 à k < 0 universo con curvatura negativa;

• I risultati sperimentali riguardanti la misura di a nisotropie nel fondo cosmico a micro -onde (CMB) mostrano che l’universo e’ piatto;cosmico a micro -onde (CMB) mostrano che l’universo e’ piatto;

• Cioe’ ΩΩΩΩ =1;

Come e’ ripartita la densita’ dell’universo?

ΩΩΩΩ = 1ΩΩΩΩvisibile = 0.003 – 0.01 (diretta misura di luminosita’);

e il resto?e il resto?

In realta’ i risultati sperimentali (provenienti an cora In realta’ i risultati sperimentali (provenienti an cora dallo studio del fondo cosmico a microonde, ma non solo) favoriscono la seguente composizione della densita’ dell’universo:densita’ dell’universo:

Ω = ΩΩΩΩΒ Β Β Β ++++ ΩΩΩΩDM + ΩΩΩΩΛΛΛΛ ;Ω = ΩΩΩΩΒ Β Β Β ++++ ΩΩΩΩDM + ΩΩΩΩΛΛΛΛ ;ΩΩΩΩB= 1% materia barionica visibile+

3% di materia barionica invisibile;ΩΩΩΩ = 23% Materia oscura non barionica;ΩΩΩΩDM= 23% Materia oscura non barionica;ΩΩΩΩΛΛΛΛ= 73% = 73% = 73% = 73% Energia oscura ;;;;

Riassumendo

1. La materia “convenzionale” (barionica, cioe’ comp osta da protoni e neutroni) costituisce solo il 4% della densita’ d i energia totale dell’universo; solo una piccola parte di questa ma teria e’ dell’universo; solo una piccola parte di questa ma teria e’ “visibile”; la rimanente e’ oscura (dark matter bar ionica);

2. Il 23% della densita’ di energia dell’universo e’ costituito da materia oscura “non convenzionale” di natura e car atteristiche materia oscura “non convenzionale” di natura e car atteristiche ignote (dark-matter non barionica);

3. Il rimanente 73% dell’energia dell’universo e’ un a energia “oscura” di origine e natura ignota, che ha come ef fetto quello di “oscura” di origine e natura ignota, che ha come ef fetto quello di fare accelerare l’universo e di renderlo “piatto”.

Nel seguito non ci occuperemo della energia oscura, ma solo della materia oscura con particolare

attenzione a quella non barionica

Dark matter and dark energy are not theoretical constructs which were Dark matter e Dark energy

Dark matter and dark energy are not theoretical constructs which were invented by cosmologists because they seemed interesting; observational data have forced us into positing their existence.Even though they are invisible, both dark matter and dark energy give Even though they are invisible, both dark matter and dark energy give rise to a gravitational field ; we can feel their effects.Dark matter contributes to the total gravitational f ield of galaxies and clusters, which we measure by observing the velocit ies of nearby particles, or the deflection of light passing by. Dark energy is smoothly distributed, but affects the geometry o f Dark energy is smoothly distributed, but affects the geometry o f spacetime itself: it makes distant galaxies appear to accelerate away from us, and it "flattens" the geometry of space, t wo effects which have been directly observed . have been directly observed . These dark components are exactly the opposite of the "ether" that was popular a century ago: everyone expected ether to exist but nobody could find evidence of it, whereas nobody expected dark matter or dark energy, but we found them despite ourselves.(Sean Carrol, Un. Of Chicago)

Candidati di Materia OscuraBarionica : materia ordinaria fatta di protoni e neutroniBarionica : materia ordinaria fatta di protoni e neutroni

Alcuni possibili candidati di materia oscura barionica: 1. Nane Brune o pianeti tipo Giove1. Nane Brune o pianeti tipo Giove2. Resti di stelle fredde (buchi neri, stelle di neutroni, nane bianche, 3. Buchi neri primordiali (lasciati dopo il Big Bang)Tutte queste forme di materia oscura barionica sono collettivamente chiamate

Massive Compact Halo Objects (MACHOs) Massive Compact Halo Objects (MACHOs)

Non barionica : si divide in calda (relativistica) e fredda (non relativistica).relativistica).

Alcuni possibili candidati di materia oscura fredda: 1. WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles);2. Assioni;2. Assioni;Si muovono a velocita’ molto inferiori a quella della luce;

Alcuni possibili candidati di materia oscura calda:Alcuni possibili candidati di materia oscura calda:1. I neutriniSi muovono a velocita’ prossime a quelle della luce;

Materia oscura barionica: i Machos

• Diversi esperimenti (MACHO in Australia, EROS in Ci le) hanno • Diversi esperimenti (MACHO in Australia, EROS in Ci le) hanno effettuato una ricerca sistematica di Massive Compa ct Halo Objects nella nostra galassia;

• La tecnica usata si basa sul cosiddetto fenomeno de l • La tecnica usata si basa sul cosiddetto fenomeno de l “microlensing” gravitazionale;

• In pratica, se un MACHO si interpone fra la terra e una stella puo’ causare un apparente aumento di luminosita’ della s tella di breve causare un apparente aumento di luminosita’ della s tella di breve durata (giorni o mesi);

• Dal momento che numerosi corpi celesti hanno variaz ioni piu’ o meno periodiche della loro luminosita’, bisogna far e attenzione a meno periodiche della loro luminosita’, bisogna far e attenzione a non confonderli con fenomeni di microlensing;

• Sono stati osservati diversi candidati MACHOs;

• Il numero totale di MACHOs che se ne puo’ dedurre n on e’ • Il numero totale di MACHOs che se ne puo’ dedurre n on e’ sufficiente a spiegare la velocita’ di rotazione de lla nostra galassia;

• Questo conferma il fatto che i MACHOs non costituis cono • Questo conferma il fatto che i MACHOs non costituis cono sicuramente la totalita’ della materia oscura dell’ universo;

Microlensing gravitazionale•L’apparente aumento •L’apparente aumento di luminosita’ della stella e’ dovuto al fatto che il MACHO ne che il MACHO ne concentra la luce;

•Non dipenda dalla lunghezza d’onda che si va ad osservare;

•La durata del fenomeno e’ legato alla massa del MACHO: massa del MACHO: per 1MΘ ∆∆∆∆t~3 mesi per 10 -6 MΘ ∆∆∆∆t~2 ore ;

•In linea di principio la massa di questi oggetti puo’ essere

10-7MΘ < M < 0.1MΘ

L’esperimento EROS

• L’esperimento EROS II utilizza un telescopio (1m di diametro) a La Silla (Cile);

• Ha tenuto sotto osservazione per 5 anni (1996-2002) circa 30 Milioni di stelle appartenenti alle Nubi di di stelle appartenenti alle Nubi di Magellano

•Large Magellanic Cloud (LMC)

• ha tenuto sotto osservazione ~ • ha tenuto sotto osservazione ~ 25 milioni di stelle;

• ha osservato 4 candidati Machos;

•Small Magellanic Cloud (SMC)•Small Magellanic Cloud (SMC)

• ha tenuto sotto osservazione ~ 5 milioni di stelle;

• ha osservato 4 candidati Machos;

Due esempi di candidati di microlensing osservati da EROS

EROS2 #3 te=44 ±3 days EROS2 #5 te=24 ±1 days

osservati da EROS

N.B.: le curve di luminosita’ sono le stesse se oss ervate con un filtro nel blu o nel rosso (curve sopra e sotto); questa e’ una pe culiarita’ del fenomeno di microlensing (acromaticita’)

Risultati combinati dei due esperimenti MACHO ed E ROS

• L’esperimento EROS deduce che i Machos con massa co mpresa fra (10-7 – 0.1)MΘ contribuiscono meno del 20% alla massa dell’alone della nostra galassia ;nostra galassia ;• I risultati di MACHO sono consistenti con l’ipotesi che circa il 20% della massa dell’alone sia dovuto a Machos con M ~ 0.5MΘ;• Da questi esperimenti si conferma che i MACHOs non risolvono da soli il problema della materia oscura, ma costi tuiscono solo un da soli il problema della materia oscura, ma costi tuiscono solo un piccolo tassello del puzzle;

Materia oscura non barionica: calda o fredda?

• Dato che la materia oscura ha massa, possiede forza di gravità e influenza • Dato che la materia oscura ha massa, possiede forza di gravità e influenza l'intero scenario della formazione dei primi raggrup pamenti di materia;

• Materia oscura "fredda“ (che si muove molto piu’ lentamente della luce): tende a raggrupparsi in strutture partendo da picco li raggruppamenti di tende a raggrupparsi in strutture partendo da picco li raggruppamenti di stelle (ammassi stellari e piccole galassie) che po i si uniscono per generare le galassie più grandi. A loro volta le galassie si raggruppano negli ammassi e superammassi di galassie i quali vanno a costitui re quella struttura e superammassi di galassie i quali vanno a costitui re quella struttura altamente frammentata e filamentosa di distribuzione della materia che costituisce l'universo attuale;

• Materia oscura "calda“ (che si muove quasi alla velocità della luce): • Materia oscura "calda“ (che si muove quasi alla velocità della luce): nell'universo primordiale si sarebbero potute forma re soltanto le strutture più estese. Gli oggetti "piccoli", quali le galassi e e gli ammassi stellari, avrebbero dovuto formarsi in seguito, come consegue nza della frammentazione delle strutture maggiori. frammentazione delle strutture maggiori.

• Nessuno di questi scenari alternativi è completamen te soddisfacente: è necessario pensare ad un modello ibrido in cui entr ambi i tipi di materia oscura giochino un ruolo ΩΩΩΩDM= ΩΩΩΩcalda + ΩΩΩΩfredda ;oscura giochino un ruolo ΩΩΩΩDM= ΩΩΩΩcalda + ΩΩΩΩfredda ;

• Si ritiene comunque che il ruolo dominante sia gioc ato dalla materia oscura fredda

Materia oscura calda: i neutrini

• Ci si aspetta che la densita’ di neutrini fossili ( originati dal Big Bang) nell’universo sia di 300 neutrini/cm 3;

• Di conseguenza il contributo a ΩΩΩΩ dei neutrini e’ dato da • Di conseguenza il contributo a ΩΩΩΩ dei neutrini e’ dato da ΩΩΩΩνννν ~ ΣΣΣΣmννννi/45 eV (vedi pagina successiva);

• Quindi, il contributo di un neutrino di massa ~ 0. 1 eV sarebbe di ΩΩΩΩ ∼ ∼ ∼ ∼ 0.002;di ΩΩΩΩν ν ν ν ∼ ∼ ∼ ∼ 0.002;

• N.B.: se il neutrino avesse masse ~ 40 ev questo im plicherebbe ΩΩΩΩν ν ν ν ∼ 1! ∼ 1! ∼ 1! ∼ 1! Cosa non possibile per le considerazioni cosmologic he svolte in precedenza!svolte in precedenza!

• Considerazioni cosmologiche,legate alla struttura a ttuale dell’universo e in particolare alle strutture su la rga scala che sono quelle maggiormente influenzate dalla presenza di sono quelle maggiormente influenzate dalla presenza di neutrini, portano a un limite di ΩΩΩΩνννν < 1.5 %

ννννρρρρ====ΩΩΩΩ

108.1)eV(m10x6.1

)eV(m)Kg(m

:chesapendo

362

19

c

−−−−νννν

−−−−

νννννννν

νννννννν

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅====

ρρρρρρρρ

====ΩΩΩΩ

cm/g)eV(m108.1300

)eV(mN

)eV(m108.1)g(m

108.1)eV(mc

)eV(m)Kg(m

333

33

2

−−−−

νννν−−−−

νννν

νννννννννννν

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅====ρρρρ

⋅⋅⋅⋅====

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅====

)eV(m

cm/g108

cm/g)eV(m108.13

300)eV(mN

330c

333

νννν

−−−−

νννν−−−−

νννννννννννν

====ΩΩΩΩ

⋅⋅⋅⋅====ρρρρ

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅====ρρρρ

45

)eV(m

neutrinidifamiglieletutteper45

)eV(m

neutriniνννν

νννννννν

ΣΣΣΣ====ΩΩΩΩ

====ΩΩΩΩ

45neutrini

Materia oscura fredda: gli assioni• Sono particelle introdotte teoricamente per risolve re il problema • Sono particelle introdotte teoricamente per risolve re il problema

della violazione di CP prevista dalla QCD anche nel le interazioni forti (e mai osservata sperimentalmente);

• Sono introdotte naturalmente anche in teorie di sup erstringhe;• Sono introdotte naturalmente anche in teorie di sup erstringhe;

• Sono particelle pseudoscalari (spin=0, parita’ intr inseca=-1), neutre e stabili;

Ω Ω Ω Ω ΩΩΩΩ ≈≈≈≈• La teoria prevede che contribuiscano a Ω Ω Ω Ω con ΩΩΩΩa ≈≈≈≈ ( 5 10-6 eV/ ma)1.2

il che implica che possono dare un contributo rilev ante alla materia oscura solo se hanno massa ~ 10 -3 – 10-5 eV;

• La teoria prevede inoltre che in presenza di campo elettromagnetico, gli assioni possano convertirsi in fotoni gli assioni possano convertirsi in fotoni (e viceversa);

• Questo fenomeno viene detto “effetto Primakoff” ed e’ sfruttato in tutti gli Primakoff” ed e’ sfruttato in tutti gli esperimenti che cercano assioni;

La ricerca degli assioni• Secondo i modelli teorici in linea di principio gli assioni possono • Secondo i modelli teorici in linea di principio gli assioni possono

essere prodotti in diversi contesti:

– Assioni galattici: prodotti nei primi stadi della formazione dell’universo (esperimento ADMX: Axion Dark Matter Experiment)(esperimento ADMX: Axion Dark Matter Experiment)

– Assioni dal sole: prodotti per conversione nel plasma di fotoni (l’esperimento CAST: Cern Axion Solar Telescope)

– Assioni in laboratorio: possono venire prodotti in laboratorio utilizzando un fascio di fotoni che attraversa un campo magnetico (esperimento PVLAS: possibile segnale poi smentito);

• In tutti gli esperimenti, gli assioni vengono rivel ati facendoli convertire in fotoni attraverso un campo magnetico

CAST (Cern Axion Solar Telescope)

Punta un magnete (originalmente costruito per LHC) verso il sole

Risultati sperimentali della ricerca di assioni• La ricerca di assioni ha per ora dato esiti negativ i e ha • La ricerca di assioni ha per ora dato esiti negativ i e ha

consentito percio’ solo di escludere delle regioni nello spazio dei parametri (g Aγγγγ – mA );

gAγγγγ =cost. di accoppiamento dell’interazione dell’interazione

assione- γγγγ

MA = massa dell’assione

Materia oscura fredda: gli WIMPs• WIMP indica genericamente una particella massiva n eutra che interagisce • WIMP indica genericamente una particella massiva n eutra che interagisce

molto debolmente;

• WIMPs: Weakly INteracting Particles;

• Non e’ contemplata nell’ambito del Modello Standard delle Interazioni Deboli;• Non e’ contemplata nell’ambito del Modello Standard delle Interazioni Deboli;

• In realta’ a seconda del modello teorico che si pre nde in considerazione, puo’ avere proprieta’ molto diverse sia in termini di ma ssa, che in termini di modalita’ di interazione;modalita’ di interazione;

• Il range di massa va da pochi GeV a 1 TeV!

• I candidati piu’ naturali di WIMP vanno cercati nel le estensioni supersimmetriche al Modello Standard delle Interazio ni Deboli;supersimmetriche al Modello Standard delle Interazio ni Deboli;

• Le teorie supersimmetriche prevedono che ad ogni particella corrisponda una sua “ombra” con spin particella corrisponda una sua “ombra” con spin diverso (se la particella aveva spin semi-intero, l a sua ombra ha spin intero e viceversa);

• Questo riflette l’idea che a energie sufficientemen te alte la distinzione fra bosoni e fermioni scompare;alte la distinzione fra bosoni e fermioni scompare;

• In quest’ambito il candidato Wimp piu’ naturale e’ la piu’ leggera particella supersimmetrica: il neutral ino χχχχ

La ricerca di WIMPs• Se gli WIMPs sono i principali costituenti della ma teria oscura • Se gli WIMPs sono i principali costituenti della ma teria oscura

devono essere presenti a scale galattiche per spieg are le curve di rotazione delle galassie a spirale;

• In tal caso, lo spazio intorno alla terra deve esse re permeato da • In tal caso, lo spazio intorno alla terra deve esse re permeato da un flusso di WIMPs la cui densita’ e velocita’ puo’ essere calcolato;

• Una stima ragionevole (che dipende pero’ dai dettag li del modello di alone galattico) e’:modello di alone galattico) e’:– ρWimp = 0.3 GeV/cm3; – vmedia ~ 270 Km/s (con velocita’ massima uguale alla velocita’ di

fuga dalla galassia v ~ 650 Km/s)fuga dalla galassia v ~ 650 Km/s)

N.B.: la velocita’ apparente e’ la composizione della velocita’ media composizione della velocita’ media degli WIMPs, della velocita’ del sistema solare attraverso l’alone galattico v 0 = 230 Km/s e della galattico v 0 = 230 Km/s e della velocita’ della terra sulla sua orbita v t=30 Km/s

Come si rivelano gli WIMPs?

• Metodi indiretti: – si basano sull’idea che gli WIMPs possano rimanere – si basano sull’idea che gli WIMPs possano rimanere

intrappolati gravitazionalmente nel sole o nella terra stessa;– In questa maniera aumenta la loro densita’ e di conseguenza

la probabilita’ che avvengano le reazioni di annichilazione la probabilita’ che avvengano le reazioni di annichilazione χ+χ à W +W , χ+χ à Z +Z, χ+χ à f +f dove f= fermione (ν, leptone, quark);

– Si vanno a rivelare i prodotti di annichilazione;– Si vanno a rivelare i prodotti di annichilazione;

• Metodi diretti:– Rivelano direttamente gli WIMPs tramite la reazione di – Rivelano direttamente gli WIMPs tramite la reazione di

scattering su nuclei bersagli;– Si basano sulla rivelazione del rinculo del nucleo;

Metodi indiretti di rivelazione di WIMPs

• Annichilazione di WIMPs nella terra, nel sole, nel centro della galassia o nell’alone della galassia;

• N.B.: la sezione d’urto di WIMPs e’ tanto piccola q uanto quella dei • N.B.: la sezione d’urto di WIMPs e’ tanto piccola q uanto quella dei neutrini: siccome pero’ sono molto piu’ lenti e mas sivi, hanno maggiore probabilita’ di rimanere intrappolati per effetto della gravita’;gravita’;

χ

• WIMPs perdono energia per scattering;• quando v < vfuga , vengono catturati;• All’equilibrio, il numero di catture e di annichila zioni si bilancia e • All’equilibrio, il numero di catture e di annichila zioni si bilancia e

si raggiunge quindi una densita’ costante di WIMPs;

Tipo di segnale Esperimenti

Annichilazione degli WIMPs nella terra o nel sole Tipo di segnale Esperimenti

Terra, Sole, GCNeutrini SuperK, Baksan, IMB, MACRO

AMANDA, ANTARES, Baikal, …χ χ → WW, ff AMANDA, ANTARES, Baikal, …χ χ → WW, ff→W, f νX

• In caso di annichilazione di WIMPs all’interno di s ole o terra, le • In caso di annichilazione di WIMPs all’interno di s ole o terra, le uniche particelle in grado di uscire e di venire ri velate sono i neutrini;

• La segnatura sono neutrini di alta energia (E ~ 10- 100 GeV);

•Si ricorda che i neutrini solari hanno energia ~ 1 MeV!

• Gli esperimenti in grado di osservare questi eventi sono gli stessi predisposti per lo studio dei neutrini cosmici di a lta energia;predisposti per lo studio dei neutrini cosmici di a lta energia;

• Una descrizione piu’ dettagliata del funzionamento di questi esperimenti verra’ fatta nella lezione dedicata all a rivelazione di raggi cosmici; cosmici;

•In ogni caso, da nessuno di questi esperimenti e’ a rrivata per ora alcuna evidenza dell’esistenza di WIMPs;

Tipo di segnale Esperimenti

Annichilazione degli WIMPs nell’alone galattico

Alone della galassia

Tipo di segnale Esperimenti

e+, antiprotone, γγγγ BESS, CAPRICE, AMS, CELESTE,e , antiprotone, γγγγ BESS, CAPRICE, AMS, CELESTE,GLAST, VERITAS, MILAGRO,ATIC, PAMELA….

γ, γ γχ χ → Z

• Nel caso di annichilazione nell’alone della galassi a, la segnatura e’ data da eccessi di e +, anti-protoni e γγγγ nei raggi cosmici;

• Aluni esperimenti per rivelare γγγγ sono a terra , altri sono su satellite ;• Aluni esperimenti per rivelare γγγγ sono a terra , altri sono su satellite ;

• Alcuni esperimenti per rivelare anti-protoni sono s u pallone, altri su satellite ;

• Anche in questo caso, gli esperimenti sono gli stes si dedicati alla • Anche in questo caso, gli esperimenti sono gli stes si dedicati alla rivelazione di raggi cosmici di alta energia;

• Per i dettagli su questi esperimenti, vedi lezione dedicata;

• Alcuni esperimenti hanno evidenziato segnali anomal i, ma non e’ chiaro se sono compatibili con annichilazione di WI MPs nell’alone galattico;

I risultati di PAMELA su )e()e(

)e(−−−−++++

++++

φφφφ++++φφφφφφφφ

PAMELA e’ un esperimento su satellite che vede un e ccesso nel flusso di e+ per E>10 GeV

I risultati di PAMELA sul flusso di anti-protoni

•Pamela non vede un eccesso in anti -un eccesso in anti -protoni e questo e’ strano perche’ se la dark-matter si annichila in e+ - e-annichila in e+ - e-dovrebbe anche annichilarsi in p anti -p;anti -p;

•A meno che non sia molto massiva M~10TeV

In caso di DM “leggera” M~150 GeV

Non potrei spiegare perche’ vedo un eccesso di posi troni, ma non di anti-protoni

In caso di DM “pesante” M~10 TeV

Potrei invece spiegare perche’ vedo un eccesso di p ositroni, ma non Potrei invece spiegare perche’ vedo un eccesso di p ositroni, ma non di anti-protoni

DUBBIO: L’eccesso di eventi di positrone e’ cosi’ a lto da implicare una sezione d’urto di annichilazione delle particelle d i DM troppo alta!

I risultati di ATIC

ATIC e’ un esperimento su pallone che vede un ecces so nel flusso di e+ e- per E~ 700 GeV

• Si discute se siamo in presenza della scoperta di • Si discute se siamo in presenza della scoperta di materia oscura.

• C’e’ un po’ di scetticismo;• Potrebbe essere qualche oggetto astrofisico non • Potrebbe essere qualche oggetto astrofisico non

particolarmente esotico a produrre questi eccessi (per es. una pulsar);(per es. una pulsar);